控制銅合金與鋼對接焊接接頭界面結構的接頭強化方法
2023-04-23 05:00:26 1
專利名稱：控制銅合金與鋼對接焊接接頭界面結構的接頭強化方法
技術領域：
本發明屬於焊接領域。
背景技術：
銅及銅合金具有高的導熱、導電性能及良好的變形和耐蝕能力，而鋼具備強度高、韌性好、良好的可焊性及價格便宜等優點，銅及銅合金與鋼組件實現了兩種材料之間的性能及結構優勢互補。目前，銅/鋼結構在原子能、航空航天製造工業及電力、機械、汽車、船舶、冶金、礦山等製造領域得到了廣泛的應用。
銅/鋼焊接為典型的異種材料連接。因銅、鐵高溫時晶格類型、晶格常數、原子半徑、原子外層電子數目等比較接近，有利於在銅與鐵之間形成金屬聯繫，對焊接性有利。但銅與鐵在物理化學性能(化學成分、熔點、熱物理係數等)上的差異又惡化了二者間的焊接性。實現銅/鋼異種材料永久性連接的方法主要分為固相焊接和熔化焊接兩類，其中以固相焊接常見，但爆炸焊、釺焊、擴散焊及摩擦焊等固相焊接方法易受到產品及焊接接頭幾何形狀和高溫服役條件的限制。對熔化焊接而言，由於銅鋼異種金屬的焊接冶金過程複雜，常導致氣孔、裂紋等缺陷的產生。目前，出現的銅鋼電弧釺焊方法，雖然在一定程度上實現了銅鋼連接，但需要額外填加焊絲作為釺料，使接頭自重增加；同時電弧的熱作用範圍大，難以精確控制，對母材熱影響較大且焊縫組織宏觀均勻化程度很難保證，從而導致接頭力學性能不穩定，同時增加了焊接工藝的複雜程度和成本。
發明內容
針對現有銅鋼電弧釺焊方法需要填加焊絲作為釺料、接頭力學性能不穩定的缺陷，本發明提供一種通過控制銅合金與鋼薄件對接焊接接頭界面結構來實現提高接頭強度的強化方法，它能有效提高銅鋼焊接接頭的整體強度。該方法是這樣實現的採用電子束作為焊接熱源，電子束作用於銅工件一側，控制電子束聚焦斑點距銅工件與鋼工件對接中線的偏移距離為0.7～1.0mm，焊接後獲得具有複合界面結構的高強度銅鋼焊接接頭，其中佔深比為30～35％。
本發明的特點是以精確可控的電子束作為焊接熱源，在無須外填焊絲(釺料)的基礎上，通過控制電子束聚焦斑點作用於銅側的偏移距離來控制銅鋼熔釺焊接界面結構，從而同時保證釺縫組織的宏觀均勻和界面連接強度，形成接頭整體強度較高的銅鋼接頭。本方法適用於紫銅及銅合金(包括除黃銅以外的幾乎所有銅合金)與鋼(包括碳鋼、結構鋼、耐熱鋼及不鏽鋼等)異種金屬焊接。同時，它也可用於兩種熔點差異很大，且低熔點金屬對高熔點金屬有良好潤溼性能的異種金屬間的焊接接頭強化。
試驗研究表明，通過控制電子束作用於銅側的偏移距離，可以獲得具有熔合過渡層和釺合面複合界面結構的熔釺界面。如圖1所示，熔釺界面上部形成了與焊縫及鋼側母材連結良好的熔合過渡層，下部為釺合面，在整個界面中熔合過渡層佔焊縫深度方向的長度比(簡稱佔深比)將直接影響到釺縫組織的宏觀均化程度和熔釺界面處的連接強度。研究分析表明，對於厚度小於3mm的銅鋼對接薄板，控制熔合過渡層在焊縫深度方向的佔深比為30～35％之間時，既可保證熔釺界面足夠的強度而不拉伸開裂，又可保證釺縫組織及成分分布的宏觀均勻，從而使整個接頭的強度提高。拉伸試驗表明，該種接頭大多斷裂於銅側熱影響區及銅母材上，平均拉伸強度可達最低母材強度的90％以上。因此，對於整個銅鋼焊接接頭而言，具有某一佔深比的複合界面結構的存在對整個接頭起到了強化作用。
本發明的優點在於採用精確可控的電子束作為焊接熱源，通過對銅側偏移量的控制來達到控制銅鋼接頭複合界面結構的目的，從而保證接頭整體強度的提高。該方法使用簡單，操作簡便，可靠性高，將內在界面結構的強化效應轉變為外部焊接參數的可控操作，通過控制束偏量即可控制複合界面結構的佔深比。
圖1為電子束作用及強化銅鋼焊接接頭、形成複合界面結構的形態示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式是這樣對銅合金與鋼薄件對接焊接接頭進行強化的採用精確可控的電子束作為焊接熱源，通過控制電子束斑點在母材兩側的熱作用程度來控制銅鋼熔釺界面的結構，從而保證接頭的高強連接，在實際焊接過程中，電子束作用於銅工件一側，控制電子束斑點偏移銅工件與鋼工件對接中線的距離為0.7～1.0mm，這樣可以控制最佳連接形式的複合界面結構的佔深比為30～35％，從而保證接頭整體強度的提高。本實施方式中，銅工件與鋼工件的厚度均小於3mm，其中鋼工件為碳鋼、結構鋼、耐熱鋼或不鏽鋼，銅工件為紫銅或銅合金(除黃銅外，例如錫青銅、鋁青銅、鉻青銅或白銅等)。
具體實施方式
二將厚度為2.0mm的銅合金QCr0.5與不鏽鋼1Cr18Ni9Ti的對接試件的待焊端面及其上下表面局部區域進行機械或酸洗處理後，用丙酮和酒精擦拭，然後放入夾具中對接貼合壓靠並置入真空室中。焊接時，採用的工藝條件為加速電壓60kV，焊接束電流44～46mA，聚焦電流1990mA，焊接速度17～19mm/s，工作距離376mm。電子束作用於銅工件一側，控制電子束聚焦斑點距離銅工件與鋼工件對接中線的偏移距離為0.7～0.9mm，連續焊接後即可獲得具有佔深比為30～35％的複合界面結構的高強銅鋼焊接接頭，接頭拉伸強度可達310MPa。焊後的銅鋼接頭，在保證佔深比為30～35％的情況下，接頭最高拉伸強度可達到最低母材(銅合金)強度的90％以上。
具體實施方式
三將厚度為1.5mm的純銅T2與不鏽鋼1Cr21Ni5Ti的對接試件進行焊前處理後(處理方法同具體實施方式
二)，放入夾具中對接貼合壓靠並置入真空室中。焊接時，採用的工藝條件為加速電壓55kV，焊接束電流42～44mA，聚焦電流1980mA，焊接速度17～19mm/s，工作距離376mm。電子束作用於銅工件一側，控制電子束聚焦斑點距離銅工件與鋼工件對接中線的偏移距離為0.8～1.0mm，連續焊接後即可獲得具有佔深比為30～35％的複合界面結構的高強銅鋼焊接接頭，接頭拉伸強度可達280MPa。焊後的銅鋼接頭，在保證佔深比為30～35％的情況下，接頭最高拉伸強度可達到最低母材(銅合金)強度的90％以上。
具體實施方式
四考慮到銅側金屬的燒損和更良好的焊縫成形，根據結構需要也可將對接接頭設計成不等厚的形式。將厚度為2.0mm的銅合金QCr0.5與厚度為1.5mm不鏽鋼1Cr18Ni9Ti的不等厚對接試件進行焊前處理後(處理方法同具體實施方式
二)，放入夾具中對接貼合壓靠並置入真空室中。焊接時，採用的工藝條件為加速電壓55～60kV，焊接束電流43～45mA，聚焦電流1990mA，焊接速度17～19mm/s，工作距離376mm。電子束作用於銅工件一側，控制電子束聚焦斑點距離銅工件與鋼工件對接中線的偏移距離為0.7～0.9mm，連續焊接後即可獲得具有佔深比為30～35％的複合界面結構的高強銅鋼焊接接頭，接頭拉伸強度可達330MPa。焊後的銅鋼接頭，在保證佔深比為30～35％的情況下，接頭最高拉伸強度可達到最低母材(銅合金)強度的90％以上。
權利要求
1.控制銅合金與鋼對接焊接接頭界面結構的接頭強化方法，其特徵在於它按照如下步驟進行採用電子束作為焊接熱源，電子束作用於銅工件一側，控制電子束聚焦斑點距離銅工件與鋼工件對接中線的偏移距離為0.7～1.0mm，焊接後獲得具有複合界面結構的高強度銅鋼焊接接頭，其中佔深比為30～35％。
2.根據權利要求1所述的控制銅合金與鋼對接焊接接頭界面結構的接頭強化方法，其特徵在於銅工件與鋼工件的厚度均小於3mm。
3.根據權利要求1或2所述的控制銅合金與鋼對接焊接接頭界面結構的接頭強化方法，其特徵在於所述鋼工件為碳鋼、結構鋼、耐熱鋼或不鏽鋼。
4.根據權利要求1或2所述的控制銅合金與鋼對接焊接接頭界面結構的接頭強化方法，其特徵在於所述銅工件為紫銅或銅合金。
5.根據權利要求4所述的控制銅合金與鋼對接焊接接頭界面結構的接頭強化方法，其特徵在於所述銅合金為錫青銅、鋁青銅、鉻青銅或白銅。
6.根據權利要求3所述的控制銅合金與鋼薄件對接焊接接頭界面結構的接頭強化方法，其特徵在於焊接厚度為2.0mm的銅合金QCr0.5與不鏽鋼1Cr18Ni9Ti時，採用的工藝條件為加速電壓60kV，焊接束電流44～46mA，聚焦電流1990mA，焊接速度17～19mm/s，工作距離376mm。
7.根據權利要求3所述的控制銅合金與鋼對接焊接接頭界面結構的接頭強化方法，其特徵在於焊接厚度為1.5mm的純銅T2與不鏽鋼1Cr21Ni5Ti時，採用的工藝條件為加速電壓55kV，焊接束電流42～44mA，聚焦電流1980mA，焊接速度17～19mm/s，工作距離376mm。
8.根據權利要求3所述的控制銅合金與鋼對接焊接接頭界面結構的接頭強化方法，其特徵在於對厚度為2.0mm的銅合金QCr0.5與厚度為1.5mm不鏽鋼1Cr18Ni9Ti的不等厚對接試件進行焊接時，採用的工藝條件為加速電壓55～60kV，焊接束電流43～45mA，聚焦電流1990mA，焊接速度17～19mm/s，工作距離376mm。
全文摘要
控制銅合金與鋼對接焊接接頭界面結構的接頭強化方法，它屬於焊接領域。針對現有銅鋼電弧釺焊方法需要填加焊絲作為釺料、接頭力學性能不穩定的缺陷，本發明是這樣實現的採用電子束作為焊接熱源，電子束作用於銅工件一側，控制電子束聚焦斑點距銅工件與鋼工件對接中線的偏移距離為0.7～1.0mm，焊接後獲得具有複合界面結構的高強度銅鋼焊接接頭，其中佔深比為30～35％。本發明使用簡單，操作簡便，可靠性高，以精確可控的電子束作為焊接熱源，無須外填焊絲，將內在界面結構的強化效應轉變為外部焊接參數的可控操作，通過控制束偏量即可控制複合界面結構的佔深比。
文檔編號B23K15/00GK1709629SQ20051001014
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月1日 優先權日2005年7月1日
發明者張秉剛, 馮吉才, 吳林, 何景山 申請人:哈爾濱工業大學